يؤدي تطور صناعة السيارات إلى زيادة الطلب على السيارات الكهربائية (EVs) التي توفر تجربة قيادة أكثر استدامة وصديقة للبيئة. ومع ذلك ، لجعل السيارات الكهربائية حقيقة ميسورة التكلفة ويمكن الوصول إليها ، يجب تحسين كفاءة المكونات الإلكترونية المستخدمة لتحويل الطاقة. في هذا السياق ، تظهر أجهزة GaN عالية الطاقة 650 فولت و 1200 فولت كحلول واعدة.
أجهزة GaN
أجهزة GaN (Gallium Nitride) هي أجهزة عالية السرعة وعالية الطاقة تقدم أداءً فائقًا من ترانزستورات السيليكون التقليدية. نظرًا لمرونتها الكبيرة ، يمكنها العمل بترددات تحويل عالية جدًا وكفاءة طاقة فائقة. وهذا يجعلها مثالية لتطبيقات السيارات الكهربائية ، حيث تعد الكفاءة والتوافق أمرًا بالغ الأهمية لضمان أقصى قدر من كفاءة الطاقة والمدى. يمكن لأجهزة GaN عالية الطاقة 650 فولت و 1200 فولت التعامل مع التيارات والجهد العالي ، مما يجعلها مناسبة لإمداد الطاقة بالسيارات. علاوة على ذلك ، فهي توفر موثوقية أكبر من ترانزستورات السيليكون نظرًا لمقاومتها لدرجات الحرارة المرتفعة والضغط الكهربائي. ميزة أخرى لأجهزة GaN هي انضغاطها ، مما يجعلها مناسبة لتطبيقات السيارات ذات المساحة المحدودة ، مثل أجهزة الشحن الموجودة على متن الطائرة. نظرًا لكفاءتها العالية ، يمكن لأجهزة GaN أيضًا تقليل حجم وتكلفة أنظمة التبريد ، وتحسين راحة وموثوقية النظام العام.
من أهم التحديات: توفير الحجم
يحاول مصممو الدوائر الإلكترونية للطاقة باستمرار تقليل حجم منتجاتهم ، وبالتالي زيادة كثافة المكونات الإلكترونية داخل جهاز واحد. هذا يسمح بمزيد من المساحة والحجم مع تقليل الحجم والوزن. تتميز GaN بخصائص فريدة تجعلها مناسبة بشكل خاص لتطبيقات الطاقة عالية التردد والموفرة للطاقة. نظرًا لقدرته العالية على تبديد الحرارة ومقاومته للتأثيرات السلبية للمجال الكهربائي ، يسمح GaN بأجهزة أصغر حجمًا وأكثر إحكاما. وبالتالي ، يمكن تحقيق أداء أعلى وكفاءة أكبر في العديد من التطبيقات ، من تحويل الطاقة إلى إلكترونيات الطاقة. الأجهزة التي تتطلب آثار أقدام أصغر تغطي مجموعة واسعة من التطبيقات ، بما في ذلك:
- مزودات الطاقة لمقابس الحائط (20 واط – 100 واط)
- محولات (50 واط – 300 واط)
- مزودات الطاقة (1 كيلوواط – 4 كيلوواط)
- عواكس للتطبيقات الكهروضوئية (0.5 كيلو واط – 5 كيلو واط)
- محركات مؤازرة (0.5 كيلو واط – 5 كيلو واط)
- شواحن البطاريات المدمجة (3.3 كيلوواط – 25 كيلو واط)
- محركات الجر (20 كيلوواط – 350 كيلوواط).
في الواقع ، التطبيقات أكبر من حيث العدد ، ومن المتوقع أن تتحسن خصائص حجمها ووزنها أيضًا في وقت قصير.
سياسات حكومات العالم والتزامات المصنعين
في السنوات الأخيرة ، حث القلق بشأن التأثير البيئي للمركبات التي تعمل بالوقود الأحفوري العديد من الحكومات ومصنعي السيارات على الالتزام بمركبات عديمة الانبعاثات. يتم تشغيلها بواسطة مصادر الطاقة المتجددة أو التقنيات الصديقة للبيئة ، مثل خلايا وقود الهيدروجين أو بطاريات الليثيوم أيون. على الصعيد العالمي ، أدخلت العديد من الحكومات سياسات تشجع على شراء واستخدام المركبات عديمة الانبعاثات. وضع الكثيرون بعض الأهداف لتقليل انبعاثات غازات الاحتباس الحراري والتحفيز على استخدام السيارات الكهربائية. لقد وضعوا أيضًا أهدافًا لبيع المركبات عديمة الانبعاثات بحيث يجب أن تكون جميع السيارات من هذا النوع في غضون بضعة عقود. تم إدخال مناطق منخفضة الانبعاثات في العديد من البلدان حيث يتم حظر المركبات عالية الانبعاثات أو تخضع للعديد من القيود. يسعى العديد من مصنعي السيارات إلى إنشاء سيارات خالية من الانبعاثات من خلال إدخال طرازات سيارات كهربائية أو هجينة تعمل بالكهرباء ، والتي تجمع بين محركات الاحتراق الكهربائي والداخلي. تستثمر الشركات المصنعة الأخرى أيضًا في تكنولوجيا خلايا وقود الهيدروجين. في كلتا الحالتين ، ستعلن جميع الشركات المصنعة قريبًا عن إنتاجها الكامل للانبعاثات الصفرية. كما هو موضح في الرسم البياني في الشكل 1 ، تضاعف إجمالي عدد السيارات في جميع أنحاء العالم تقريبًا خطيًا على مدار فترة 15 عامًا وسيستمر في القيام بذلك لمدة 20 إلى 25 عامًا أخرى ، بنفس الانحدار. ومع ذلك ، فإن مصير السيارات الكهربائية وحدها مختلف تمامًا. في الواقع ، يمكننا أن نرى زيادة هائلة على أساس سنوي والتي ستؤدي إلى وجود غالبية السيارات الكهربائية. ومع ذلك ، يوضح الرسم البياني أدناه النسبة المئوية لعدد السيارات الكهربائية إلى إجمالي عدد السيارات على الطريق. يمكن ملاحظة أنه حتى عام 2025 ، كان عدد السيارات الكهربائية أقلية واضحة. ومع ذلك ، من المتوقع أن يبدأوا قريبًا في الانتشار بشكل كبير ، وبحلول عام 2030 سيكون عددهم 10 بالمائة من إجمالي عدد المركبات. بحلول عام 2035 ، سيرتفع عدد السيارات الكهربائية إلى 25 في المائة ، وبحلول عام 2040 ستشكل 40 في المائة من الأسطول بأكمله. لذلك ، عام 2030 هو بداية الانتشار الحقيقي للسيارات الكهربائية في العالم.
إلكترونيات على متن الطائرة
متطلبات إلكترونيات الطاقة في نظام السيارات هي في الأساس متطلبات الكفاءة والطاقة والموثوقية. في الواقع ، يعطي المصممون الأولوية لهذه الجوانب بدقة. تتكون السيارة الكهربائية بشكل عام من عناصر إلكترونيات الطاقة التالية:
- عدد قليل من بطاريات 400 فولت أو 800 فولت
- شاحن AC-DC و DC-DC على متن الطائرة (OBC) تتراوح طاقته من 3 كيلو واط إلى 25 كيلو واط
- شاحن خارجي
- وحدة طاقة إضافية DC-DC ذات طاقة تتراوح من 1 كيلوواط إلى 10 كيلو واط
- العاكس
- مجموعة نقل حركة تيار مستمر / تيار متردد تتراوح من 30 كيلو واط إلى 250 كيلو واط.
هذه هي المكونات والأجهزة التي يدور من خلالها الكثير من التيار وتعمل بإمكانيات كهربائية عالية جدًا. بدون أجهزة الطاقة الحالية ، ستكون السيارات الكهربائية شبه مستحيلة. في السيارة الكهربائية ، تنتقل الكهرباء من المنافذ الكهربائية الموجودة على الحائط إلى العجلات (انظر الرسم البياني ذي الصلة في الشكل 2). يجب أن تتعايش عوامل التشغيل في مثل هذه الدوائر الكهربائية ، بما في ذلك التردد العالي والكفاءة العالية. العناصر المختلفة التي يتكون منها نظام النقل الكهربائي هي كما يلي:
- يوفر مقبس الحائط في المنزل بشكل عام جهدًا 240 فولتتيار متردد. هذا هو مقبس الحائط ، والذي يسمح بتوصيل سلك الطاقة بالسيارة للسماح بإعادة شحن البطاريات
- مرشح EMI ، والذي يهدف إلى تقليل الضوضاء الكهرومغناطيسية التي يمكن أن تتداخل مع الأداء السليم للنظام وتحسين جودة الإشارة الكهربائية المرسلة إلى السيارة
- شاحن بطارية ثنائي الاتجاه على متن الطائرة ، يتكون من المرحلة الأولى من التبديل الثابت AC-DC ومرحلة ثانية DC / DC معزولة بالرنين
- بطارية السيارة
- مجموعة نقل الحركة ، التي تتكون من عاكس مصدر الجهد (VSI) يعمل في التبديل الثابت.
سيطور النظام قدرًا كبيرًا من الحرارة للقوى العالية المعنية ، ولكن يمكن حل هذه المشكلة بفضل التقنيات التي حققتها مكونات التبديل الإلكترونية الجديدة (GaN). في الواقع ، عند نفس الجهد الاسمي ، يكون أداء أجهزة GaN أفضل بكثير من أجهزة السيليكون.
أطقم الجاليوم
ترانزستورات نيتريد الغاليوم (GaN) عالية الحركة للإلكترون (HEMTs) هي جزء من الجيل التالي من تقنية ترانزستور طاقة التردد اللاسلكي. إنها أجهزة جديدة عالية التردد تستغل الخصائص الفريدة لنتريد الغاليوم لتنفيذ أجهزة عالية السرعة وعالية الطاقة. وهي تتميز بحركية أعلى ، والأهم من ذلك ، قيمة طرق محددة أقل بكثير. هذا يسمح بنقل معدل تيار مرتفع بأقل قدر من تبديد الطاقة وفقد أقل في التوصيل. بالإضافة إلى ذلك ، يمكنهم التعامل مع الفولتية العالية (فوق 650 فولت) والسماح بالتبديل بسرعات عالية جدًا. تتمثل إحدى المزايا الرئيسية لـ GaN HEMTs مقارنة بأجهزة أشباه الموصلات الأخرى في قدرتها على العمل بجهد وتيارات عالية جدًا ، مما يسمح بقدرة عالية مع فقدان طاقة منخفض. وهذا يجعلها مثالية لتطبيقات الترددات العالية والطاقة العالية. تُظهر GaN HEMTs أيضًا موثوقية أكبر من الأجهزة الأخرى عالية التردد نظرًا لمقاومتها الأكبر لدرجات الحرارة المرتفعة وتحمل أكبر لارتفاعات الطاقة. بالإضافة إلى ذلك ، تتمتع نيتريد الغاليوم بمقاومة أكبر للظروف الجوية مقارنة بمواد أشباه الموصلات الأخرى ، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات الخارجية. أحد الامتيازات الرئيسية لهذه الأجهزة هو السرعة التشغيلية العالية للتبديل (انظر الرسم البياني في الشكل 3). الجهازان في الرسم البياني ، اللذان يظهران الحد الأقصى للتيار كدالة للتردد ، هما GaN و IGBT. من الواضح أن هناك انخفاض في الحد الأقصى للتيار ، مع الاتجاه غير الخطي ، مع زيادة التردد. علاوة على ذلك ، فإنه يُظهر أن GaN يمكنه التعامل مع تيار أعلى من IGBT في جميع الترددات المعتبرة. تشير هذه البيانات إلى أن GaN هو جهاز أكثر ملاءمة للتعامل مع الترددات والتيارات العالية ، مما يسمح بمزيد من الكفاءة في استخدام الطاقة ، حيث يتميز بمقاومة داخلية منخفضة للغاية تقلل من فقد الطاقة أثناء التشغيل.
مثال على دائرة التعزيز
يوضح الشكل 4 مثالاً لمحول DC-DC CCM Boost ، بجهد دخل وخرج يساوي 240 فولت – 400 فولت. لها الخصائص التالية:
- سائق البوابة = Si8285 (4 أ)
- جهد البوابة = 0 فولت -12 فولت
- Rg ، تشغيل = 5 أوم
- Rg ، إيقاف = 15 أوم
- الموعد النهائي = 300 نانو ثانية
- حبة الفريت = 120 أوم عند 100 ميغا هرتز
- DC Snubber = 10 nF + 2 أوم.
هذا حل 10 كيلو واط يتم تحويله من خلال إشارة تحويل 100 كيلو هرتز. يوضح الرسم البياني المقابل أيضًا منحنيات الكفاءة عند ترددات التبديل والقيادة 50 كيلوهرتز و 70 كيلوهرتز و 100 كيلوهرتز.
خاتمة
تتطور أجهزة GaN عالية الطاقة 650 فولت و 1200 فولت كحلول واعدة لتطبيقات المركبات الكهربائية ويمكنها توفير كفاءة طاقة فائقة وموثوقية متزايدة وتحسين المساحة وتقليل تكاليف النظام الإجمالية. تمثل هذه الأجهزة تقنية أساسية لجعل المركبات الكهربائية حقيقة ميسورة التكلفة ويمكن الوصول إليها لجمهور عريض بشكل متزايد. يتم حاليًا فحص العديد من طبولوجيا المحولات المطورة حديثًا باستخدام أجهزة FQS في مراكز البحث الأكاديمي. تكون هذه الحلول أكثر تعقيدًا عند استخدام مكونات IGBT و SiC. ومع ذلك ، فهي بالتأكيد أبسط مع استخدام GaNs ، والتي تسمح بأداء تحويل فائق ، ونطاق جهد واسع (يصل إلى 1.2kV) ، ونطاق طاقة واسع (حتى أعلى من 10kW) ، وموثوقية عالية ، واستجابات ماس كهربائى ممتازة ، و قدرة تحويل رباعي ممتازة.
مرجع:
[1] أجهزة GaN عالية الطاقة 650-V و 1200-V لتطبيقات EVs ، D. Bisi ، G. Gupta ، CJ Neufeld ، Y. Huang ، T. Hosoda ، M. Kanamura ، R. Lal. ، L. Shen ، T. Dhayagude ، P. Zuk ، P. Parikh ، UK Mishra – Transphorm ، APEC 2023
اكتشاف المزيد من مجلة الإخلاص
اشترك للحصول على أحدث التدوينات المرسلة إلى بريدك الإلكتروني.
